毕永年[1]2003年在《合成接收孔径超声成像前端系统设计及实现》文中提出合成孔径聚焦声成像是上个世纪七十年代发展起来的一种超声成像技术，合成孔径聚焦技术(SAFT)是经典的合成孔径方法，但是图像重建的算法复杂，实时性较差；回波信号的SNR不高，噪声很大。合成接收孔径是利用全孔径发射，子孔径接收的成像方式。这种方法可以实现利用较少的接收通道实现较大的接收孔径，提高图像的横向分辨率。在对国外合成孔径技术的研究分析基础上，我们设计开发了实现接收孔径合成的全数字式前端系统，包括数字发射以及全数字波束合成器，在开发样机上实现了实时合成接收孔径成像。本文将对合成孔径的基本概念、合成接收孔径成像原理进行介绍，论述合成接收孔径成像前端系统中硬件、软件的设计，描述了前端系统全数字式超声波的发射、接收过程及其实现。采用FPGA设计全数字式的波束合成器实现孔径的合成。在实验样机上对体模进行对比试验成像，结果表明系统较好的解决了合成孔径带来帧率下降的问题，提高了系统成像的横向分辨率，降低了系统的设计成本。
王红亮[2]2015年在《CMUT及其阵列工作机理与应用基础研究》文中进行了进一步梳理超声成像技术广泛应用于医学、军事、工业、农业等众多领域,而超声传感器是实现超声成像的关键部件之一。基于MEMS技术的电容式微机械超声传感器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer,CMUT)具有传统压电超声传感器所不具备的显着优势,有望替代传统压电超声传感器成为市场的主流产品。针对电容式微机械超声传感器开展相关理论与应用基础研究,具有十分重要的研究价值和现实意义。本文的主要内容如下:首先,在加工制造之前对CMUT进行特性分析可以为优化设计参数提供依据。在详细阐述CMUT工作原理和相关理论的基础上,研究了CMUT的建模理论。建立了CMUT微元的小信号等效电路模型和有限元模型,利用有限元模型进行了静态分析、模态分析和谐响应分析。为了能够快速、有效地对CMUT微元和CMUT进行特性分析,推导并建立了一种状态方程-SIMULINK模型,并对CMUT微元和CMUT进行了发射与接收特性分析,为后续实际应用和测试提供了重要的理论依据和参考。其次,CMUT与CMUT阵列的指向性是其在远场的重要特性之一。通过详细分析设计参数对其指向性的影响,结合CMUT和CMUT阵列的特点,提出了合理选择CMUT阵列设计参数的准则。针对所设计的CMUT及其阵列,推导出了叁种不同的CMUT指向性函数和四种不同的CMUT阵列指向性函数,并进行了对比分析。针对指向性图中出现的旁瓣现象,研究了多种旁瓣抑制方法,有效地降低了旁瓣辐值。再次,超声传感器的声场分布特性直接影响着其成像质量。在论述相关声场理论的基础上,研究了基于瑞利-索末菲积分公式、角谱方法和空间冲激响应的声场分析方法,并针对CMUT和CMUT阵列的特点,研究了相应的声场分析方法。通过计算辐射声场,分析了CMUT阵列的聚焦与偏转性能,研究了阵列孔径尺寸对聚焦距离的影响,并分析了CMUT阵列设计参数对其空间脉冲回波响应的影响。然后,不同的成像方法具有不同的性能和特点,实际应用中需要综合考虑多种因素选择合适的方法。在论述相控阵成像、合成孔径聚焦成像和相控子阵成像叁种不同成像方法工作原理的基础上,通过计算相应的有效孔径和合成波束,对其进行了对比分析,并基于CMUT线阵,验证分析了叁种成像方法的成像效果。对于阵元数目较多的CMUT面阵,设计了几种特殊的相控子阵成像方案,可以有效地降低成像系统的复杂性,并提高成像的实时性。最后,通过对CMUT线阵进行全面的测试与分析,进一步验证了所设计CMUT及其阵列的性能,为今后设计超声成像系统提供了重要的数据参考。
崔一鸣[3]2017年在《基于ZYNQ的掌上超声成像系统前端设计与实现》文中认为超声成像具有无损伤成像、实时动态成像、成像系统简洁等诸多优点,在远程医疗和战地医疗等方面有着十分广阔的应用前景。芯片集成度的提高,功耗的降低使得掌上超声成像系统的实现成为可能。目前掌上超声成像系统正朝着无线化和人机交互友好化两个方向发展,国内掌上超声成像系统发展迅速,但前端系统的独立自主设计与实现技术仍然薄弱。在此背景下,本课题对掌上超声成像系统的前端进行了设计和实现,在降低超声成像设备成本的同时,为掌上超声成像系统的国产化积累研发经验和技术基础。本课题设计并实现了一款32通道掌上超声成像系统前端的数据采集及信号处理算法。根据系统功能,查阅相关资料,确定了以ZYNQ、HDL6M06531和MAX2082为核心芯片、通过Wi-Fi传输数据和无线充电的整体系统硬件方案,同时确定了整个系统的性能指标:分辨率、尺寸和系统功耗。针对选则的芯片,依次对换能器阵元匹配电路、超声收发相关电路、ZYNQ相关电路和电源电路的原理图进行设计。在此基础上,根据多层印制电路板的设计规则、层迭和布局,完成了整个系统主体功能的8层核心电路板的设计。按照超声成像的逻辑顺序,利用FPGA依次实现了阵元的整序控制、电子聚焦、数字波束合成和数字解调等超声信号处理算法,并通过状态机将各个模块按顺序串联起来,构成完整的超声成像算法系统体系。针对这些算法,给出了实现的流程和仿真结果,并对仿真结果进行了分析。按照电路功能和工作顺序,对整个系统硬件电路中的电源电路、ZYNQ、HDL6M06531和MAX2082进行了调试,调试结果与预期一致。在完成硬件电路调试的基础上,按照先接收后发射的顺序,对数字波束合成、数字解调、阵元的整序控制、电子聚焦和状态机等各个模块逐一调试。本课题设计的前端系统在保证成像质量的同时,缩小了整个设备的尺寸,提高了超声成像设备的集成度和稳定性,优化了超声信号处理算法,降低了系统的功耗,为多通道多功能无线掌上超声成像系统的开发和实现探索出方向。
朱桂林[4]2016年在《全数字B超诊断仪波束合成技术的研究》文中进行了进一步梳理医学超声成像技术和X射线成像技术、磁共振成像技术以及核医学成像技术一起被公认为现今四大医学影像技术,成为现今医学影像技术不可或缺的角色。与其他影像技术相比,超声成像技术由于操作简单、安全、迅速、无痛苦和无计量积累误差等优点受到各界广泛的关注与应用。波束合成技术一直是超声成像系统研究的重点和热点,直接影响到最后超声成像的质量。为此,研究新型的、高效的、波束合成技术,对提高国内医学超声诊断设备的总体质量具有十分重要意义。延迟迭加波束合成方法是应用最为广泛的波束合成方法。但是由于存在波束扫描死区和逐点聚集所需存储容量过大等问题限制了超声成像质量的进一步提高,为此本课题做了以下方面的研究:(1)研究了分段发射与逐点聚集相结合的技术,实现了在发射部分采用融合动态孔径分段发射,接收部分采用逐点聚集,提高横向分辨率。(2)研究了一种融合动态孔径技术的线性扫描方式,通过多次交互式扫描,使得扫描线空间位移量最少,尽可能覆盖扫描区域,消除扫描死区。(3)提出了相邻位移聚集延时参数存储方法,通过研究相对声差,求出相邻位置的聚焦延时数据,通过对相邻聚集延时参数的分解压缩,并在聚集的合成过程中,生成聚焦延时参数,运用此算法降低存储容量的同时,降低了硬件资源。(4)设计了高速LVDS串行接口,通过外部时钟芯片保证多通道的AD转换电路的同步采样。(5)设计了基于FPGA的硬件系统,完成了超声波波束的前端系统设计,实现超声波束的发射与接收,为后续数据处理做好准备。(6)搭建了基于FPGA的超声硬件平台,完成数据采集,通过matlab数据分析,对比的图像成像效果,图像效果质量明显提高。
李佳曼[5]2015年在《超声医学影像的信号处理》文中研究说明图像质量的评估主要由点扩散函数(PSF)进行,主瓣宽度、旁瓣电平是两个最重要的评估标准。医学超声成像系统中比较核心的部分是波束形成器。波束形成包括发射波束形成和接收波束形成,直接决定着影像的分辨力。传统的延时相加波束形成器虽已由模拟方式转变为数字方式,这种简单直接的方式却有固有的缺陷,对采样率要求高,存储空间要求高,从而不能拥有很好的分辨力。在此基础上做出的波束控制有动态孔径,即远场区用大孔径,近场区用小孔径,可以使图像的侧向分辨力比较均匀；幅度变迹,加窗函数,可以有效抑制旁瓣。延时相加波束形成法不能实现实际意义上的发射接收动态聚焦,本文设计了合成孔径成像方法,合理设置收发孔径(合成聚焦)可以实现发射和接收的双向动态聚焦,指向性好,主瓣窄,抑制旁瓣效果好。仿真图像表明,合成孔径成像法比单纯的延时相加法性能要好,至少与延时相加法相同。合成孔径法通过改变发射接收的子阵组合在波束控制效果与系统复杂度之间做平衡。本文还设计了最小方差波束形成方法,最小方差波束形成是自适应波束形成的一种,是对幅度变迹的一种改进,对信号的加权不再是单纯的窗函数,而是信号相关函数。该方法解决了延时相加法中主瓣宽度与旁瓣水平的矛盾,使用较小的孔径,更深的穿透深度,为了获得更高的帧率还使用了多波束形成技术,而且不会降低图像质量。该方法在高信噪比时性能比较好,随着信噪比的降低性能会接近延时相加法,此外,最小方差波束形成需要比延时相加法更多的计算量。
杜英华[6]2010年在《合成孔径聚焦超声成像技术研究》文中认为合成孔径聚焦超声成像作为一种超声后处理方法,能够将小孔径成像合成为大孔径成像,通过逐点聚焦的方法,使图像的分辨率不随位置和深度变化。在采用同样换能器阵元探头的情况下,使用合成孔径聚焦方法能够得到更高分辨率的重建图像,为缺陷的定性分析提供更可靠的依据。本文重点研究了合成孔径聚焦算法的原理以及影响合成孔径聚焦超声成像精度的因素,提出了改善合成孔径聚焦超声成像分辨率的算法和方法,并将合成孔径聚焦算法应用于相控阵超声成像系统。本文主要进行了以下几个方面的研究工作:1、对合成孔径算法进行了仿真,通过对回波的模拟聚焦,验证了合成孔径聚焦超声成像算法的有效性,并定量分析了延时误差对合成孔径聚焦的影响。通过仿真中可以看到,在换能器参数确定的情况下,延时精度是影响合成孔径聚焦成像质量的重要因素。2、通过Multi2000超声实验系统,使用单阵元换能器对标准试块上的不同的缺陷点进行扫描,获取原始数据后,利用合成孔径聚焦算法分别对上述数据进行了处理,通过对比处理前后-6dB的数值范围,结果表明,合成孔径聚焦算法比原始扫描数据提高分辨率17%以上。3、基于换能器阵列的声场辐射理论对合成孔径聚焦成像方法进行了建模,系统地分析了模型中各种参数对成像质量的影响,通过实验对不同换能器阵元数、子孔径阵元数、阵元间距等的合成孔径聚焦图像的分辨率进行了对比,建立了提高合成孔径聚焦超声成像质量的参数选取原则。4、针对实验中多阵元换能器扫描时,不同扫描位置间的回波延时与理论计算差别较大的问题,提出了基于小波变换计算相关性系数的合成孔径聚焦算法,通过实验证明,这种算法的分辨率要高于传统延时迭加算法。5、提出了将合成孔径聚焦算法应用于相控阵超声成像系统,通过超声实验系统采集了相控阵线扫原始数据,并用合成孔径聚焦算法进行了处理,实验结果表明合成孔径聚焦算法能够提高相控阵远场成像的分辨率,有效地解决了相控阵超声成像在远场的聚焦效果较差的问题。6、提出了一套便携式合成孔径超声系统的设计方案,为合成孔径超声成像方法的实际应用奠定了基础。
沈祥华[7]2012年在《相控阵超声成像关键技术的FPGA设计与实现》文中研究表明超声相控阵技术具有检测复杂度低、可视化成像和检测分辨力高等优点，已成为近年来国际无损检测领域的研究热点。本文在相控阵超声成像主要性能指标研究的基础上，对相控发射声束性能和接收声束形成算法等关键技术进行了深入研究，完成了32通道相控阵超声成像系统的FPGA设计验证，给出了原型系统初步成像结果。主要工作如下：1．研究了相控时延精度对声束性能与系统分辨率的影响，分析和仿真表明，精细的时延控制利于提高系统性能。进一步研究了一种基于干涉原理的波声场建模方法，获得了所用相控阵探头的仿真结果。2．针对相控阵扇形扫查和动态聚焦成像，研究了一种正交包络检波的接收声束形成算法，分析表明，该接收算法性能明显优于传统的直接延时迭加接收声束形成算法，实现复杂度低、消耗资源少。3．提出了相控阵超声成像系统总体设计与FPGA芯片选型方案，并对FPGA接口、算法模块进行了划分。研究了一种虚拟阵列成像方法，该成像方法不需复杂的时延控制，获得了与相控阵扇形扫查成像同样的性能，且直角坐标焦点成像方法有利于检测图像的显示。将相控阵扇形扫查与虚拟阵列成像方法相结合，进一步提出了一种改进的虚拟焦点成像方法，在系统的时间分辨率和空间分辨率之间获得了更好的折中。4．针对32通道相控阵超声成像系统，完成了数字声束形成电路和高速接口的FPGA设计，包括2.5ns精度的低复杂度延时电路实现、600Mbps串行LVDS接口设计、正交包络检波延时抵消算法设计以及ARM门控时钟/DMA接口设计。通过了与ARM子系统的联合调试，获得了原型系统探测试块缺陷的初步成像结果。以上关键技术的研究与FPGA实现，提高了相控阵超声成像系统的性能，降低了实现复杂度与资源消耗，为本相控阵超声成像系统的实际应用打下了坚实的基础。
于婧[8]2014年在《高性能合成孔径超声成像方法研究》文中指出合成孔径超声成像作为一种超声后处理方法,能够将小孔径成像合成为大孔径成像,通过逐点聚焦的方法,使图像的分辨率不随位置和深度变化。在采用同样换能器阵元探头的情况下,使用合成孔径技术能够得到更高分辨率的图像。对于单阵元换能器来说,合成孔径技术可以克服其在成像中出现的景深限制和在聚焦范围外信噪比和横向分辨率较低等缺点,产生一个深度独立的横向分辨率,有效的改善单阵元换能器的成像质量。本文重点研究了合成孔径超声成像方法,主要工作如下：(1)对合成孔径成像算法进行研究,并对一些常用的合成孔径成像方法进行了波束仿真实验。(2)使用Field Ⅱ仿真软件,对聚焦型单阵元换能器和非聚焦型换能器进行散射点的仿真实验和应用合成孔径聚焦算法的仿真实验。并通过计算各个散射点的横向和轴向分辨率,来评估成像质量。(3)使用基于FPGA开放式超声平台,采集水平位移平台对钨丝线进行扫描成像的数据,并在matlab中进行直接显示和经合成孔径聚焦技术处理后进行显示。并对成像分辨率进行计算更直观的分析实验结果。同时对水平位移平台采集到的离体猪小肠切片的超声回波数据,进行显示和对其进行合成孔径聚焦处理,并对其进行比较分析。(4)使用基于FPGA开放式超声平台,采集旋转平台对钨丝线仿体进行扫描成像的数据,并在matlab中进行直接显示和经合成孔径聚焦技术处理后进行显示。并对实验结果进行简单的分析。(5)对超快超声成像进行研究,并用Field Ⅱ进行平面波相干合成仿真实验。分别对多个散射点进行平面波仿真实验,和对计算机囊肿组织仿体进行平面波的仿真实验。
王录涛[9]2012年在《相控诊断超声成像波束控制技术研究》文中指出超声波在生物体中传播时，组织特性差异导致回波信号的幅度、相位、时间等参量发生改变。通过对回波信号的转换、重建或反演处理，诊断超声成像技术可获得待测生物组织结构信息。作为一种无创诊断手段，诊断超声成像技术已成为医学临床诊断不可或缺的常规诊断技术之一。相控诊断超声成像技术采用电子聚焦与扫描技术，在整个视场范围内均可获得具有良好的时间特性与空间特性的聚焦波束，经相控波束形成重建声像图具有分辨率高、动态范围大、几何失真小等特点。因此，与传统超声成像技术相比，相控诊断超声成像技术可显着提高成像质量。本文从诊断超声数据处理前端入手，针对相控诊断超声成像中的波束设计及实现技术进行了深入研究，提出了叁种不同复杂度的波束形成算法，提高成像空间分辨率、时间分辨率与均匀性，最后给出了一种48通道高集成度、可编程的、可满足波束形成算法研究与新兴超声临床应用研究的相控诊断超声成像系统设计方案，解决了其中的主要关键技术并进行了验证。本文主要内容包括以下几个方面：(1)对超声成像理论基础进行了论述，根据波动方程给出了不同形状换能器单频连续波辐射声场与脉冲激励声场计算模型，并对影响辐射声场特性的因素及改善方法进行了分析。在此基础上，给出了相控脉冲回波成像模型，仿真分析表明根据接收回波信号可以完全重构由散射介质引起的声场变化，通过改善声场分布特征可显着提高成像质量。(2)全面分析了相位控制精度、聚焦控制与波束指向性控制对于提高成像动态范围与空间分辨率的关系，并据此提出了一种可成倍提高成像时间分辨率的实时波束形成算法。该方法采用4并行接收波束使得成像帧频提高4倍，同时通过抑制发射波束旁瓣幅度与控制主瓣宽度获得高质量的图像。仿真结果表明采用该方法成像对比度明显优于常规延时累加波束形成算法。(3)提出了一种基于子空间法的低复杂度稳健自适应波束形成算法。该方法首先采用Toeplitz矩阵预处理结合特征值重构法提高采样协方差矩阵估计精度，然后采用特征子空间波束形成法实现孔径权值的自适应计算。针对点散射目标与囊肿目标仿真实验表明，该方法不仅可有效解决回波信号相干干扰问题，避免了传统空域平滑算法导致的有效孔径损失，而且可实现侧向分辨率与对比度的同时提高。(4)研究了非线性最小二乘支持向量回归算法在波束形成中的应用。该方法采用二次代价函数取代传统最小方差无失真响应波束形成算法中的线性约束条件，显着提高存在模型失配时波束形成器的稳健性与干扰抑制能力，采用高斯核函数则使得算法的泛化能力得以扩展，然后，推导了解的快速迭代求解方法，使得算法的实时运行得以实现。最后，基于奇异性准则提出了一种可有效削减解的规模的稀疏化算法。仿真结果表明该算法在导向矢量失配、复杂多干扰与样本快拍数受限等情况下，不仅可保持良好的主瓣指向性，而且旁瓣幅度明显低于传统自适应波束形成算法。(5)采用模块化设计思想与可重构逻辑设计技术，设计了一套高性能、高集成度的、可满足波束形成算法研究与新兴超声临床应用技术研究需要的相控超声成像平台。该平台可产生48独立通道、脉冲宽度与脉冲数可调的发射脉冲与实现48路回波信号的12bit精度50MHz采样。在发射时，采用两级可变延时控制结构，在较低系统工作频率下使发射脉冲延时控制精度达1.25ns；在接收时，采用基于最小均方误差的分数时延多相滤波技术提高接收相位控制精度与实现逐点动态聚焦。此外，对于相控诊断超声波束形成中的发射脉冲设计技术、扫描控制技术、多通道同步数据采集技术、波束形成器设计与实现技术进行了详尽阐述。作为相控阵列成像技术基础研究的一部分，本文研究成果可为多种新兴成像技术的研究提供技术支撑。此外，本文研究还可为开发商业化的高性能医学影像系统提供理论依据和实践参考。
陈赛[10]2016年在《基于稀疏阵列的二维超声成像系统研究与实现》文中研究说明超声成像以其安全、快捷、方便、无损伤等特点,广泛应用于医学检测和工业探伤中,为病灶的诊断和产品检测提供了较大的便利。传统的超声成像系统大都采用多次扫描发射接收的模式,成像帧速率较低,同时为了提高成像质量,需要增加探头阵元数量,这样增加了系统的成本。本文以减少简化成像系统复杂性、降低系统成本同时提高系统成像帧速率为目的,实现二维稀疏阵列成像,同时设计稀疏超声成像硬件系统。本文首先介绍了新型超声成像系统的组成,从超声换能器的阵列排布方式、发射信号的选取、通道分离的方法以及最终成像的方式等进行总结,提出了基于Gold编码调制线性调频波和稀疏阵元阵列的BP伪影消除成像方法,同时也实现以FPGA为控制核心的16通道稀疏阵列超声成像前端系统硬件电路。针对传统系统的多次收发聚焦的成像速率较低的问题,本文中采用多个阵元同时发射正交信号,同时独立接收阵元接收回波信号的方式进行发射接收,结合后续的通道分离技术即可通过一次收发时间完成成像所需数据。稀疏的换能器阵列采用8个发射阵元和8个接收阵元,通过阵列优化可以虚拟出64个等间距的虚拟阵元阵列,即通过16个阵元的合理配置实现64个阵元的性能。通道分离技术需要发射信号具备良好的正交性,所以通过Gold码与线性调频波相结合信号具有良好的自相关和互相关特性。在分析传统的B型扫描成像方式基础上,本文提出了一种适合于稀疏阵元阵列的BP成像算法。BP成像算法在目标点较少的成像时可以有效呈现目标真实信息,而随着成像的目标点增加时,利用该种算法就成像会出现较强的伪影。本文通过BP算法过程的分析,得出成像的伪影主要是由多目标点弧形迭加产生,同时不同目标点散射强度的差异也会增加伪影的产生。为了解决成像的伪影问题,本文通过对系统整体进行成像阈值判断,结合成像的信道进行通道数的阈值判断,利用两次判断来消除伪影对成像的影响,最后通过杰森的人体体膜模型进行成像仿真,说明该成像算法的有效性。基于对稀疏阵元阵列成像关键技术的研究,本文还对稀疏阵列成像系统硬件进行设计和介绍。稀疏阵列超声成像前端系统由FPGA主控模块、H桥功率放大模块、LPF(Low Pass Filter)模块、USB通信模块、接收电路模块、变压器和水声换能器构成。同时对实际硬件系统信号进行发射测试,接收通道回波测试以及TGC模块增益变化检测等,为后续系统进行更为复杂的系统信号处理做准备。
参考文献：
[1]. 合成接收孔径超声成像前端系统设计及实现[D]. 毕永年. 浙江大学. 2003
[2]. CMUT及其阵列工作机理与应用基础研究[D]. 王红亮. 天津大学. 2015
[3]. 基于ZYNQ的掌上超声成像系统前端设计与实现[D]. 崔一鸣. 哈尔滨工业大学. 2017
[4]. 全数字B超诊断仪波束合成技术的研究[D]. 朱桂林. 重庆理工大学. 2016
[5]. 超声医学影像的信号处理[D]. 李佳曼. 东南大学. 2015
[6]. 合成孔径聚焦超声成像技术研究[D]. 杜英华. 天津大学. 2010
[7]. 相控阵超声成像关键技术的FPGA设计与实现[D]. 沈祥华. 南京航空航天大学. 2012
[8]. 高性能合成孔径超声成像方法研究[D]. 于婧. 东北大学. 2014
[9]. 相控诊断超声成像波束控制技术研究[D]. 王录涛. 电子科技大学. 2012
[10]. 基于稀疏阵列的二维超声成像系统研究与实现[D]. 陈赛. 南京信息工程大学. 2016